KR20150146162A - 발광소자 및 조명시스템 - Google Patents
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Abstract
실시예의 발광소자는 복수의 돌출부들을 갖는 요철구조가 적어도 일부 표면에 형성된 기판; 상기 기판 상에 제 1 도전형 반도체층; 상기 제 1 도전형 반도체층 상에 활성층; 상기 활성층 상에 제 2 도전형 반도체층; 상기 제 2 도전형 반도체층 상에 제 1 전극; 및 상기 제 1 도전형 반도층의 노출된 영역에 형성된 제 2 전극; 을 포함하고, 상기 돌출부는 밑변 길이(w)가 0.9~1.3um 사이이고, 높이(h)는 0.65~0.8um 사이이며, 서로 인접한 돌출부 사이의 간격은 0.3~0.33um 사이인 것을 특징으로 한다.
실시예는 기판의 광 흡수율을 감소시켜 발광소자의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 발광소자를 제공하고자 할 수 있다. 또한, 실시예의 기판의 요철구조는 반도체층 내의 전하 흐름을 원활하게 하여, 전기적 특성이 향상시킬 수 있는 발광소자를 제공할 수 있다.
실시예는 기판의 광 흡수율을 감소시켜 발광소자의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 발광소자를 제공하고자 할 수 있다. 또한, 실시예의 기판의 요철구조는 반도체층 내의 전하 흐름을 원활하게 하여, 전기적 특성이 향상시킬 수 있는 발광소자를 제공할 수 있다.
Description
실시예는 발광소자에 관한 것으로, 좀더 상세하게 광 흡수율이 낮고 전기적 특성이 향상된 기판을 포함하는 발광소자 및 이를 구비하는 조명 시스템에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device)는 전기에너지가 빛 에너지로 변환되는 특성의 p-n 접합 다이오드로서, 주기율표상에서 Ⅲ족과 Ⅴ족 등의 화합물 반도체로 생성될 수 있고 화합물 반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
발광소자는 순방향전압 인가 시 n층의 전자와 p층의 정공(hole)이 결합하여 전도대(Conduction band)와 가전대(Valance band)의 밴드갭 에너지에 해당하는 만큼의 에너지를 발산하는데, 이 에너지는 주로 열이나 빛의 형태로 방출되며, 빛의 형태로 발산되면 발광소자가 되는 것이다.
예를 들어, 질화물 반도체는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭 에너지에 의해 광소자 및 고출력 전자소자 개발 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 특히, 질화물 반도체를 이용한 청색(Blue) 발광소자, 녹색(Green) 발광소자, 자외선(UV) 발광소자 등은 상용화되어 널리 사용되고 있다.
일반적으로 발광소자는 기판 상에 질화물 계의 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층을 순차적으로 적층되어 형성된다.
상기 기판으로는 사파이어 또는 실리콘 등이 사용될 수 있는데, 이러한 기판은 광 흡수율이 높기 때문에 광 추출 효율이 감소시키는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 상기 기판에 요철구조를 형성하여, 기판의 광 흡수율을 감소시킬 수 있었다.
그런데, 상기 기판의 요철구조는 발광소자의 전기적 특성을 저하시키는 문제점이 발생하였다.
실시예는 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 발광소자의 전기적 특성과 광 추출효율을 향상시킬 수 있는 요철구조를 갖는 발광소자 및 이를 구비하는 조명 시스템을 제공하고자 한다.
실시예의 발광소자는 복수의 돌출부들을 갖는 요철구조가 적어도 일부 표면에 형성된 기판; 상기 기판 상에 제 1 도전형 반도체층; 상기 제 1 도전형 반도체층 상에 활성층; 상기 활성층 상에 제 2 도전형 반도체층; 상기 제 2 도전형 반도체층 상에 제 1 전극; 및 상기 제 1 도전형 반도층의 노출된 영역에 형성된 제 2 전극; 을 포함하고, 상기 돌출부는 밑변 길이(w)가 0.9~1.3um 사이이고, 높이(h)는 0.65~0.8um 사이이며, 서로 인접한 돌출부 사이의 간격은 0.3~0.33um 사이인 것을 특징으로 한다.
실시예에 따른 조명시스템은 상기 발광소자를 구비하는 발광유닛을 포함할 수 있다.
실시예는 기판의 광 흡수율을 감소시켜 발광소자의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 발광소자를 제공하고자 한다.
또한, 실시예의 기판의 요철구조는 반도체층 내의 전하 흐름을 원활하게 하여, 전기적 특성이 향상시킬 수 있는 발광소자를 제공하고자 한다.
또한, 실시예의 기판 요철구조를 형성하기 위한 공정시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 발광소자의 단면도이다.
도 2는 제 1 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다.
도 3은 제 1 실시예에 따른 기판의 평면을 나타낸다.
도 4는 미세 요철구조를 갖는 발광소자의 광추출 효율과 요철구조를 갖는 발광소자의 광추출 효율을 비교하는 그래프이다.
도 5는 미세 요철구조를 갖는 발광소자의 전압-전류 특성과 요철구조를 갖는 발광소자의 전압-전류 특성을 비교하는 그래프이다.
도 6은 미세 요철구조를 갖는 발광소자의 밑변 길이와 높이별 파워를 나타낸다.
도 7은 미세 요철구조를 갖는 발광소자의 밑변 길이와 높이별 동작전압을 나타낸다.
도 8은 제 2 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다.
도 9는 돌출부 형상에 따른 광추출 효율을 나타낸 그래프이다.
도 10은 콘벡스형 돌출부로 이루어진 요철구조와 콘케이브형 돌출부로 이루어진 요철구조를 촬영한 이미지이다.
도 2는 제 1 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다.
도 3은 제 1 실시예에 따른 기판의 평면을 나타낸다.
도 4는 미세 요철구조를 갖는 발광소자의 광추출 효율과 요철구조를 갖는 발광소자의 광추출 효율을 비교하는 그래프이다.
도 5는 미세 요철구조를 갖는 발광소자의 전압-전류 특성과 요철구조를 갖는 발광소자의 전압-전류 특성을 비교하는 그래프이다.
도 6은 미세 요철구조를 갖는 발광소자의 밑변 길이와 높이별 파워를 나타낸다.
도 7은 미세 요철구조를 갖는 발광소자의 밑변 길이와 높이별 동작전압을 나타낸다.
도 8은 제 2 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다.
도 9는 돌출부 형상에 따른 광추출 효율을 나타낸 그래프이다.
도 10은 콘벡스형 돌출부로 이루어진 요철구조와 콘케이브형 돌출부로 이루어진 요철구조를 촬영한 이미지이다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on/over)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on/over)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
(
실시예
)
도 1은 일반적인 발광소자(100)의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 이건 발명의 관련기술('관련기술'은 이건발명의 출원시 명백히 공지된 기술은 아님을 의미함)에 의하면, 일반적인 발광소자(100)는 요철구조를 갖는 기판(110)과, 상기 기판(110) 상에 배치된 제 1 도전형 반도체층(141)과, 상기 제 1 도전형 반도체층(141) 상에 배치된 활성층(143)과, 상기 활성층(143) 상에 배치된 제 2 도전형 반도체층(145)을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 기판(110)은 열전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판(110) 또는 절연성 기판(110)일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(110)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, and Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
이러한 기판(110)은 방출되는 광을 흡수하는 정도가 커서, 발광소자(100)의 광추출 효율을 저하시키는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위하여, 상기 기판(110)의 표면의 적어도 일부 영역에 돌출부(P)가 일정 패턴으로 나열된 요철구조가 형성할 수 있다.
좀더 상세히, 상기 기판(110)의 상면에 일정패턴으로 이격되어 나열된 복수의 돌출부(P)를 형성함으로써, 요철구조를 형성할 수 있다.
일반적인 요철구조에서 상기 돌출부(P)의 높이(h)는 1~2um 사이로 형성될 수 있으며, 상기 돌출부(P)의 밑변 길이(w)는 2~2.5um 사이로 형성될 수 있으며, 돌출부(P)와 돌출부(P) 사이의 간격(d)은 0.5um 정도로 형성될 수 있다.
그런데, 이러한 요철구조로 형성되는 경우, 도 1에서 보듯, 상기 돌출부(P)가 상기 제 2 전극(170)에서 제 1 전극(160) 방향으로 전하의 흐름을 방해하여, 발광소자(100)의 전기적 특성을 저하시키는 문제점이 발생한다.
따라서, 광도 특성이 동등 또는 유사 수준이면서 기타 전기적 특성을 개선하는 요철구조가 요구된다.
도 2는 제 1 실시예에 따른 발광소자(100)의 단면도이고, 도 3은 제 1 실시예에 따른 기판(110)의 평면을 나타낸다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 발광소자(100)는 적어도 일부 표면에 요철구조를 갖는 기판(110)과, 상기 기판(110) 상에 배치된 제 1 도전형 반도체층(141)과, 상기 제 1 도전형 반도체층(141) 상에 배치된 활성층(143)과, 상기 활성층(143) 상에 배치된 제 2 도전형 반도체층(145)과, 상기 제 2 도전형 반도체층(145) 상에 배치된 전극층(150)과, 상기 전극층(150) 상에 제 1 전극(160)과, 노출된 상기 제 1 도전형 반도체층(141) 상에 배치된 제 2 전극(170)을 포함할 수 있다.
먼저, 실시예에서 상기 기판(110)은 열전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판(110) 또는 절연성 기판(110)일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(110)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, and Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
그리고, 상기 기판(110)의 표면의 적어도 일부 영역에는 돌출부(P)가 일정 패턴을 갖는 요철구조가 형성될 수 있다. 좀더 상세히, 상기 기판(110)의 상면에 일정패턴으로 나열된 복수의 돌출부(P)를 형성함으로써, 상기 요철구조를 형성할 수 있다.
상기 돌출부(P)는 원추형, 돔형, 피라미드형, 사각, 오각, 다각 뿔, 도립 원추형 또는 이러한 형상들의 조합일 수 있다.
이러한 돌출부(P)의 형상은 기판(110)을 식각하는 방법에 의하여 결정될 수 있다.
좀더 상세히, 상기 기판(110)에 일정패턴을 갖는 마스크를 배치한 후 식각을 진행하여 돌출부(P)의 형상을 제어할 수 있고, 식각액의 종류, 조성비 등을 변경하여 돌출부(P)의 형상을 제어할 수도 있다.
예를 들어, 등방성 식각액을 사용하여 기판(110)에 둥글게 움푹 파인 리세스를 형성함으로써, 원추형 또는 도립 원추형의 돌출부(P)들을 형성할 수 있다. 이때, 상기 등방성 식각액으로는 산성 화학용액인 HCl 또는 HF 등을 포함한 혼합 약액이 사용될 수 있다.
또는, 기판(110)을 이방성 식각액을 사용함으로써, 피라미드 형상이나 사각 뿔 형상 등 각진 형상으로 식각된 돌출부(P)를 형성할 수 있다. 이때, 상기 이방성 식각액으로는 염기성 화학용액인 KOH, NaOH 또는 TMAH 등을 포함한 혼합 약액이 사용될 수 있다.
그런데, 앞서 설명하였듯이, 상기 돌출부(P)가 일정 이상의 크기를 갖는 경우, 발광소자(100)의 전기적 특성이 저하되는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 상기 기판(110)에는 상기 돌출부(P)의 크기를 줄인 미세 요철구조가 형성될 수 있다.
이하에서는 미세 요철구조를 이루는 돌출부(P)의 상세한 스펙에 대해 설명한다.
먼저, 상기 돌출부(P)의 높이(h)는 0.65~0.8um 사이일 수 있으며, 바람직하게는 약 0.73um일 수 있다. 상기 돌출부(P)의 높이(h)가 0.65um 이하로 형성되면, 상기 돌출부(P)의 광 반사량이 낮아져 광추출 효율이 감소될 수 있으며, 상기 돌출부(P)의 높이(h)가 0.8um 이상으로 형성되면, 돌출부(P)가 전하의 흐름을 방해하여 발광소자의 전기적 특성이 저하될 수 있다.
그리고, 상기 돌출부(P)의 밑변 길이(w)는 0.9~1.3um 사이일 수 있다. 상기 돌출부(P)의 밑변 길이(w)가 0.9um 이하로 형성되면, 돌출부(P)의 광 반사량이 낮아져 광추출 효율이 낮아질 수 있으며, 상기 돌출부(P)의 밑변 길이(w)가 1.3um 이상으로 형성되면, 돌출부(P)가 전하의 흐름을 방해하여 전기적 특성이 저하될 수 있다.
또한, 돌출부(P)와 인접한 돌출부(P) 사이 간격(d)은 0.3~0.33um 사이로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 0.3um일 수 있다. 상기 간격(d)은 작을수록 돌출부(P)가 촘촘하게 배치되어 광 반사율이 높아져 광추출 효율은 향상될 수 있으나, 이후 반도체층이 성장하기 위한 평면(plane)이 감소하여 반도체층 성장에 어려움이 있을 수 있다.
상기 미세 요철구조의 효과를 좀더 상세히 도 4 내지 도 8을 참조하여 설명한다.
도 4는 미세 요철구조를 갖는 발광소자(100)의 광추출 효율과 요철구조를 갖는 발광소자(100)의 광추출 효율을 비교하는 그래프이고, 도 5는 미세 요철구조를 갖는 발광소자(100)의 전압-전류 특성과 요철구조를 갖는 발광소자(100)의 전압-전류 특성을 비교하는 그래프이고, 도 6은 미세 요철구조를 갖는 발광소자(100)의 밑변 길이와 높이별 파워를 나타내고, 도 7은 미세 요철구조를 갖는 발광소자(100)의 밑변 길이와 높이별 동작전압을 나타낸다.
도 4를 보면, 미세 요철구조는 일반적인 요철구조와 비교하였을 때, 양 구조는0~200mA 사이에서는 거의 동등한 광추출 효율을 갖는다. 이를 통해, 상기 돌출부(P)의 크기가 작아짐으로써 각 돌출부(P)들의 반사율은 낮아질 수 있으나, 상기 돌출부(P)의 개수가 크게 증가하여 일반적인 크기의 요철구조와 유사하거나 동등한 광추출 효율을 가짐을 알 수 있다.
도 5를 보면, 미세 요철구조는 일반적인 요철구조에 비하여 기울기가 현저히 큰 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 크기가 작아진 돌출부(P)는 전하(예컨데, 전자)의 흐름을 방해하지 않아, 발광소자(100)의 저항을 낮게 하여, 발광소자(100)의 전기적 특성을 향상시킨 것을 확인할 수 있다.
도 6을 보면, 미세 요철구조에서 돌출부(P)의 높이(h)가 0.65um 이하이고, 밑변 길이(w)가 1.1um 이하일 때, 광추출 효율이 크게 떨어지는 것을 알 수 있다.
또한, 도 7을 보면, 미세 요철구조에서 돌출부(P)의 높이(h)가 0.73um 이상이고, 밑변 길이(w)가 1.3um 이상일 때, 동작전압이 크게 상승하는 것을 알 수 있습니다.
그러므로, 상기 돌출부(P)는 높이(h)가 0.65~0.73um 사이를 가지며, 밑변 길이(w)가 1.1~1.3um를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
한편, 상기 미세 요철구조를 갖는 기판(110) 상에는 반도체층이 배치될 수 있다.
상기 반도체층이 형성되기 전, 버퍼층(미도시)이 형성될 수도 있다. 상기 버퍼층은 발광구조물의 재료와 기판(110)의 격자 부정합을 완화시켜 줄 수 있으며, 버퍼층의 재료는 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 이때, 상기 버퍼층은 화합물 반도체의 화학 조성비를 달리할 수 있다.
예를 들어, 상기 버퍼층은 언도프트 질화갈륨층과 AlxGa(1-x)N(0≤x≤1)/GaN 초격자층을 포함할 수 있다.
이때, 상기 버퍼층인 AlxGa(1-x)N(0≤x≤1)/GaN 초격자층은 발광구조물의 재료와 기판(110)의 격자 부정합에 따른 전위(dislocations)를 더욱 효과적으로 차단시켜줄 수 있다.
그리고, 상기 기판(110) 상에는 제 1 도전형 반도체층(141)이 배치될 수 있다.
상기 제 1 도전형 반도체층(141)은 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제 1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 상기 제 1 도전형 반도체층(141)이 N형 반도체층인 경우, 상기 제 1도전형 도펀트는 N형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 제 1 도전형 반도체층(141)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다.
상기 제 1 도전형 반도체층(141)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN,AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
상기 제 1 도전형 반도체층(141)은 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 N형 GaN층을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제 1 도전형 반도체층(141)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 실리콘(Si)와 같은 n 형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH4)가 주입되어 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제 1 도전형 반도체층(141) 상에는 활성층(143)이 배치될 수 있다.
상기 활성층(143)은 제 1 도전형 반도체층(141)을 통해서 주입되는 전자와 이후 형성되는 제 2 도전형 반도체층(145)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(143)(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
상기 활성층(143)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(143)은 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 다중 양자우물구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 활성층(143)의 우물층/장벽층은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 우물층은 상기 장벽층의 밴드 갭보다 낮은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
상기 활성층(143) 상에는 제 2 도전형 반도체층(145)이 배치될 수 있다.
상기 제 2 도전형 반도체층(145)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제 2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 도전형 반도체층(145)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 제 2 도전형 반도체층(145)이 P형 반도체층인 경우, 상기 제 2도전형 도펀트는 P형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
상기 제 2 도전형 반도체층(145)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 마그네슘(Mg)과 같은 p 형 불순물을 포함하는 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}가 주입되어 p형 GaN층이 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 제 2 도전형 반도체층(145) 상에 전극층(150)을 배치될 수 있으며, 상기 전극층(150)은 투광성 오믹층을 포함할 수 있으며, 캐리어 주입을 효율적으로 할 수 있도록 단일 금속 혹은 금속합금, 금속산화물 등을 다중으로 적층하여 형성할 수 있다.
상기 전극층(150)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx, NiO 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
실시예에서 상기 제 1 도전형 반도체층(141)은 n형 반도체층, 상기 제 2 도전형 반도체층(145)은 p형 반도체층으로 구현할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한 상기 제 2 도전형 반도체층(145) 위에는 상기 제 2 도전형과 반대의 극성을 갖는 반도체 예컨대 n형 반도체층(미도시)을 형성할 수 있다. 이에 따라 발광구조물(110)은 n-p 접합 구조, p-n 접합 구조, n-p-n 접합 구조, p-n-p 접합 구조 중 어느 한 구조로 구현할 수 있다.
다음으로, 상기 제 1 도전형 반도체층(141)이 노출되도록 전극층(150), 제 2 도전형 반도체층(145), 활성층(143)의 일부를 제거할 수 있다.
상기 전극층(150) 상에 제 1 전극(160)이 배치되고, 상기 노출된 제 1 도전형 반도체층(141) 상에 제 2 전극(170)을 배치되어, 실시예에 따른 발광소자(100)를 형성할 수 있다.
도 8은 제 2 실시예에 따른 발광소자(101)의 단면도이다.
실시예에 발광소자(101)는 앞서 설명한 실시예의 발광소자(101)와 기판(111)의 구조를 달리한 것으로, 다른 구성은 제 1 실시예에 그대로 적용될 수 있으며, 중복되는 구성에 대해서는 도면부호를 동일하게 기재한다
이하에서는 전술한 내용과 중복되는 설명에 대해서는 기재를 생략하며, 제 1 실시예와의 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
실시예에 따른 발광소자(101)는 적어도 일부 표면에 요철구조를 갖는 기판(111)과, 상기 기판(111) 상에 배치된 제 1 도전형 반도체층(141)과, 상기 제 1 도전형 반도체층(141) 상에 배치된 활성층(143)과, 상기 활성층(143) 상에 배치된 제 2 도전형 반도체층(145)과, 상기 제 2 도전형 반도체층(145) 상에 배치된 전극층(150)과, 상기 전극층(150) 상에 제 1 전극(160)과, 노출된 상기 제 1 도전형 반도체층(141) 상에 배치된 제 2 전극(170)을 포함할 수 있다.
먼저, 실시예에서 상기 기판(111)은 열전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판(111) 또는 절연성 기판(111)일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(111)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, and Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
그리고, 상기 기판(111)의 표면의 적어도 일부 영역에는 돌출부(P)가 일정 패턴으로 나열된 요철구조가 형성될 수 있다. 좀더 상세히, 상기 기판(111)의 상면에 일정패턴으로 이격되어 나열된 복수의 돌출부(P)를 형성함으로써, 요철구조를 형성할 수 있다.
상기 돌출부(P)는 원추형, 돔형, 피라미드형, 사각, 오각, 다각 뿔, 도립 원추형 또는 이러한 형상들의 조합일 수 있다.
도 8을 보면, 상기 돌출부(P)에는 리세스(r)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 콘벡스(convex) 형상의 돌출부(P) 상단이 움푹 파이도록 식각되어, 분화구 형상을 갖는 콘케이브형 돌출부(P)를 형성할 수 있다.
상기 리세스(r)는 상기 돌출부(P)의 밑단까지 형성되어, 반도체층을 형성하기 위한 플레인 면을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 리세스(r)는 돌출부(P)의 경사면을 증가시켜, 돌출부(P)의 반사율을 높일 수 있다.
그리고, 상기 돌출부(P)의 리세스(r)에는 반도체층이 형성되지 않고 기포가 형성될 수 있다.
상기 기포는 상기 돌출부(P)의 광 반사율을 좀더 향상시켜, 발광소자(101)의 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 이러한 미세 요철구조를 이루는 돌출부(P)의 상세한 스펙에 대해 설명한다.
이러한 상기 돌출부(P)의 높이(h)는 0.65~0.8um 사이일 수 있으며, 바람직하게는 약 0.65~0.73um 사이일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 돌출부(P)의 높이(h)가 0.65um 이하로 형성되면, 돌출부(P)의 광 반사량이 낮아져 광추출 효율이 낮아질 수 있으며, 상기 돌출부(P)의 높이(h)가 0.8um 이상으로 형성되면, 돌출부(P)가 전하의 흐름을 방해하여 전기적 특성이 저하될 수 있다.
그리고, 상기 돌출부(P)의 밑변 길이(w)는 0.9~1.3um 사이일 수 있으며, 바람직하게는 1.1~1.3um 일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 돌출부(P)의 밑변 길이(w)가 0.9um 이하로 형성되면, 돌출부(P)의 광 반사량이 낮아져 광추출 효율이 낮아질 수 있으며, 상기 돌출부(P)의 밑변 길이(w)가 1.3um 이상으로 형성되면, 돌출부(P)가 전하의 흐름을 방해하여 전기적 특성이 저하될 수 있다.
또한, 돌출부(P)와 인접한 돌출부(P) 사이 간격(d)은 0.3~0.33um 사이로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 0.3um일 수 있다. 상기 간격(d)은 작을수록 돌출부(P)가 촘촘하게 배치되어 광 반사율이 높아져 광추출 효율은 향상될 수 있으나, 이후 반도체층이 성장하기 위한 플레인(plane)이 감소하여 반도체층 성장에 어려움이 있을 수 있다.
도 9는 돌출부(P) 형상에 따른 광추출 효율을 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 육면체의 돌출부(P)는 광추출 효율이 떨어지며, 둥근 콘벡스형의 돌출부(P)에서 광추출 효율이 향상된다.
그리고, 상기 콘벡스 형에 리세스(r)를 형성한 콘케이브 형상의 돌출부(P)에서 최대 광추출 효율을 가짐을 알 수 있다.
도 10은 콘벡스형 돌출부(P)로 이루어진 요철구조와 콘케이브형 돌출부(P)로 이루어진 요철구조를 촬영한 이미지이다.
도 10을 보면, 콘벡스형에 비하여, 콘케이브형의 돌출부(P)가 좀더 밝게 촬영된 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 콘케이브형 돌출부(P)로 이루어진 요철구조의 광 반사율이 높은 것을 알 수 있다.
전술한 실시예의 미세 요철구조는 Electric Potential을 개선하여 제 1 전극(160)으로 집중되는 전하 흐름을 스프레딩할 수 있어, 발광소자(100)의 전기적 특성을 향상할 수 있다. 구체적으로, 동작전압을 낮출 수 있고, 전압-전류 특성을 개선하여 저전압으로 전류흐름을 향상시킬 수 있다.
또한, 미세 요철구조는 돌출부(P)의 개수를 늘리고, 기포 등을 형성함으로써, 광흡수율을 감소시켜, 발광소자(100)의 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 미세 요철구조는 돌출부의 크기가 작으므로, 이를 형성하기 위한 공정 시간 또한 단축되어 생산성이 향상될 수 있는 장점이 있다.
이러한 실시예에 따른 발광소자(100)는 발광소자(100) 패키지에 설치될 수 있다.
그리고, 실시예에 따른 발광소자(100)가 설치된 발광소자(100) 패키지는 복수개가 기판 상에 어레이되며, 상기 발광 소자 패키지에서 방출되는 광의 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트, 형광 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광 소자 패키지, 기판, 광학 부재는 백라이트 유닛으로 기능하거나 조명 유닛으로 기능할 수 있으며, 예를 들어, 조명시스템은 백라이트 유닛, 조명 유닛, 지시 장치, 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 101: 발광소자
110, 111: 기판
141: 제 1 도전형 반도체층
143: 활성층
145: 제 2 도전형 반도체층
150: 전극층
160: 제 1 전극
170: 제 2 전극
110, 111: 기판
141: 제 1 도전형 반도체층
143: 활성층
145: 제 2 도전형 반도체층
150: 전극층
160: 제 1 전극
170: 제 2 전극
Claims (8)
- 복수의 돌출부들을 갖는 요철구조가 적어도 일부 표면에 형성된 기판;
상기 기판 상에 제 1 도전형 반도체층;
상기 제 1 도전형 반도체층 상에 활성층;
상기 활성층 상에 제 2 도전형 반도체층;
상기 제 2 도전형 반도체층 상에 제 1 전극; 및
상기 제 1 도전형 반도층의 노출된 영역에 형성된 제 2 전극; 을 포함하고,
상기 돌출부는 밑변 길이(w)가 0.9~1.3um 사이이고, 높이(h)는 0.65~0.8um 사이이며, 서로 인접한 돌출부 사이의 간격은 0.3~0.33um 사이인 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 돌출부(P)의 밑변 길이(w)는 1.1~1.3um사이로 형성된 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 돌출부(P)의 높이(h)는 0.65~0.73um 사이로 형성된 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 서로 인접한 돌출부 사이의 간격은 0.3um로 형성된 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 돌출부는 원추형, 돔형, 피라미드형, 사각, 오각, 다각 뿔, 도립 원추형, 콘벡스형, 콘케이브형 또는 이러한 형상들의 조합인 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제 5 항에 있어서,
상기 돌출부에는 리세스가 형성된 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제 6 항에 있어서,
상기 돌출부의 리세스에는 기포가 형성된 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제 1 항 또는 제 7 항에 기재된 발광소자를 구비하는 발광유닛을 포함하는 조명시스템.
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| WO2020116978A1 (ko) * | 2018-12-06 | 2020-06-11 | 엘지전자 주식회사 | 반도체 발광 소자를 이용한 디스플레이 장치 및 이의 제조방법 |
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|---|---|---|---|---|
| WO2014057808A1 (ja) * | 2012-10-12 | 2014-04-17 | 旭化成イーマテリアルズ株式会社 | 光学基板、半導体発光素子及びその製造方法 |
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- 2014-06-23 KR KR1020140076294A patent/KR102200027B1/ko active IP Right Grant
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| WO2014057808A1 (ja) * | 2012-10-12 | 2014-04-17 | 旭化成イーマテリアルズ株式会社 | 光学基板、半導体発光素子及びその製造方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |